Nhà vật lý Nikolai Klimov, trưởng nhóm nghiên cứu, cho biết: “Nghiên cứu này là bước tiến lớn đưa tốc độ và hiệu quả của công nghệ quang học vào những môi trường mà chip bán dẫn truyền thống hay chip quang học đóng gói theo cách cũ không thể hoạt động.”

Vì sao đóng gói lại quan trọng

Trong sản xuất chip, “đóng gói” là lớp vỏ bảo vệ và hệ thống kết nối giúp chip liên kết với thế giới bên ngoài, bao gồm sợi quang, tiếp điểm điện và các thành phần khác. Với chip quang học, việc giữ cho sợi quang và chip luôn thẳng hàng chính xác là yếu tố sống còn.

Chip quang học vốn đã được ứng dụng rộng rãi trong viễn thông, chẩn đoán y tế và cảm biến tiên tiến. Tuy nhiên, trong các môi trường khắc nghiệt như bức xạ mạnh, chân không siêu cao, nhiệt độ cực nóng hoặc cực lạnh, các phương pháp đóng gói truyền thống thường thất bại vì không duy trì được liên kết ổn định giữa sợi quang và chip.

Điểm yếu: Liên kết sợi quang – chip

Thách thức lớn nhất nằm ở việc gắn sợi quang vào chip. Các loại keo hữu cơ hiện nay dễ bị nứt, thoát khí hoặc phân hủy khi gặp nhiệt độ cực đoan, bức xạ hoặc chân không. Khi liên kết này hỏng, chip sẽ ngừng hoạt động.

Để khắc phục, nhóm NIST đã áp dụng kỹ thuật hydroxide catalysis bonding (HCB) – vốn được NASA sử dụng để lắp ráp các hệ quang học siêu ổn định cho kính thiên văn không gian. Phương pháp này tạo ra liên kết vô cơ giống như thủy tinh giữa sợi quang và chip, sử dụng dung dịch natri hydroxide để gắn kết bề mặt ở cấp độ phân tử, thay thế hoàn toàn keo dán.

Thử nghiệm trong điều kiện khắc nghiệt

Nhóm nghiên cứu đã chứng minh rằng HCB không chỉ đảm bảo căn chỉnh chính xác và truyền ánh sáng hiệu quả, mà còn tạo ra liên kết bền vững. Họ đã thử nghiệm bằng cách:

• Làm lạnh chip xuống nhiệt độ cryo,
• Thay đổi nhiệt độ nhanh chóng,
• Chiếu xạ ion hóa mạnh,
• Đặt chip trong môi trường chân không cao.

Kết quả: liên kết HCB vẫn nguyên vẹn, chip hoạt động bình thường. Các nghiên cứu bổ sung cho thấy liên kết này còn ổn định ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với khả năng chịu đựng của keo truyền thống.

Klimov khẳng định: “Liên kết này bền chắc như chính sợi quang. Nó mở ra khả năng để chip quang học hoạt động ở những nơi trước đây hoàn toàn bất khả thi.”

Triển vọng ứng dụng

Dù hiện tại quá trình liên kết HCB mất vài ngày để hoàn thành, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh đây chỉ là vấn đề kỹ thuật. Với sự tối ưu hóa, thời gian có thể rút ngắn đáng kể, biến công nghệ này thành giải pháp khả thi cho sản xuất quy mô lớn.

Điều này mở ra tương lai cho chip quang học trong:

• Máy tính lượng tử cần môi trường siêu lạnh và chân không,
• Nhiệm vụ không gian chịu bức xạ mạnh,
• Công nghiệp năng lượng với nhiệt độ và áp suất khắc nghiệt,
• Cảm biến tiên tiến trong môi trường ăn mòn.